6. Плотность транспортного потока

Плотность транспортного потока q_а является пространственной характеристикой, определяющей степень стесненности движения (загрузки полосы дороги). Ее измеряют количеством транспортных средств, приходящихся на 1 км протяженности полосы дороги.

Предельная плотность может наблюдаться при неподвижном состоянии колонны автомобилей, расположенных вплотную друг к другу на полосе дороги. Для современных легковых автомобилей такая предельная величина составляет около 200 авт/км. Естественно, что при такой плотности движение невозможно даже при автоматическом управлении автомобилями, так как отсутствует дистанция безопасности. Поэтому указанная величина плотности потока имеет чисто теоретическое значение. Наблюдения показывают, что для малолитражных легковых автомобилей при колонном движении с малой скоростью плотность потока может достигать 100 авт/км, что и следует принимать как максимально возможную плотность потока в движении (q_{а max}).

В практике проектирования принято считать, что максимальная плотность равна 100 автомобилей на 1 километр. В зависимости от дистанции различают следующие виды движения автомобилей в транспортном потоке:

При использовании показателя плотности потока необходимо учитывать коэффициент приведения для различных типов транспортных средств, рассмотренных в предыдущем параграфе, так как в противном случае результаты сравнения q_а для различного по составу потока могут привести к несопоставимым результатам. Так, если принять, что по дороге движется колонна автобусов с плотностью 100 авт./км (возможной, как указано выше, для легковых автомобилей), то длина такой колонны вместо километра практически составит 2,0—2,5 км. Если же учесть минимальный из рекомендуемых К_пр для автобусов, равный 3, то максимальная плотность колонны автобусов в физических единицах может составлять 33 автобуса на километр, что является реальным.

Чем меньше плотность потока на полосе дороги, тем свободнее себя чувствуют водители, тем выше скорость, которую они развивают. Наоборот, по мере повышения q_а, т. е. стесненности движения, от водителей требуется повышение внимательности, точности действий, а следовательно, и психического напряжения. Одновременно увеличивается вероятность ДТП в случае ошибки, допущенной одним из водителей, или отказа механизмов автомобиля.

В зависимости от плотности потока можно условно подразделить условия движения по степени стесненности на следующие: свободное движение, частично связанное движение, насыщенное движение, колонное движение, перенасыщенное движение.

Численные величины q_а в физических единицах транспортных средств, характерные для каждого из условий, весьма существенно зависят от характеристики дороги и, в первую очередь, от плана и профиля дороги, скоростей движения и состава потока транспортных средств на ней.

Лекция 3. Тема 1. Характеристики дорожного движения (продолж.)

План

7 Скорость и темп движения

7. Скорость и темп движения

Скорость движения является важнейшим показателем дорожного движения, так как характеризует его целевую функцию. Наиболее объективной характеристикой скорости транспортного средства на дороге может служить кривая, характеризующая ее изменение на протяжении всего маршрута движения.

Однако получение таких пространственных характеристик для множества движущихся автомобилей является сложным. В практике организации движения принято характеризовать скорость движения транспортных средств мгновенными ее значениями Va, зафиксированными в отдельных типичных точках дороги. Измерителем скорости доставки грузов и пассажиров является скорость сообщения Vc, которая определяется как отношение расстояния между точками сообщения к времени нахождения транспортного средства в пути. Величиной, обратной скорости сообщения, является темп движения, который измеряется временем, затрачиваемым на преодоление единицы длины пути (мин/км). Этот измеритель весьма удобен для расчетов времени доставки пассажиров и грузов на различные расстояния. Мгновенная скорость транспортного средства и соответственно скорость сообщения зависят от многих факторов и подвержены значительным колебаниям.

Скорость транспортного средства в пределах его тяговых возможностей в современном дорожном движении определяет водитель, являющийся управляющим звеном в системе АВД. Водитель постоянно стремится выбрать наиболее целесообразный режим скорости, исходя из двух главных критериев: 1) минимально возможной затраты времени и 2) обеспечения безопасности движения. В каждом случае на принятие решения оказывает влияние характеристика водителя: его квалификация, психофизиологическое состояние, цель движения. Так, исследования, проведенные в одинаковых дорожных условиях на одном типе автомобилей, показали, что скорость движения автомобиля для разных водителей высокой квалификации может колебаться в пределах ±10% от среднего значения, для малоопытных водителей эта разница намного больше [4].

Рассмотрим влияние параметров транспортных средств и дороги на скорость движения. Верхний предел скорости определяется его максимальной конструктивной скоростью Vmax, которая зависит главным образом от удельной мощности двигателя. Максимальная скорость Vmax современных автомобилей колеблется в широких пределах в зависимости от их типа. Она составляет (примерно): 200 км/ч для легковых автомобилей большого и среднего класса; 150 — для легковых автомобилей малого класса; 100 — для грузовых автомобилей средней грузоподъемности; 85 — для грузовых автомобилей большой грузоподъемности и 75 км/ч — для тяжелых автопоездов. Опыт показывает, что водитель ведет автомобиль с максимальной скоростью лишь в исключительных случаях и кратковременно, так как это сопряжено с чрезмерно напряженным режимом работы агрегатов автомобиля; кроме того, имеющиеся на дороге даже незначительные подъемы требуют для поддержания стабильной скорости запаса мощности. Поэтому даже при благоприятных дорожных условиях водитель ведет автомобиль с максимальной скоростью длительного движения или крейсерской скоростью. Крейсерская скорость для большинства автомобилей составляет 0,7— 0,85 Vmax. Таким образом, на прямолинейных и горизонтальных участках благоустроенных дорог ожидаемый диапазон мгновенных скоростей для различных типов современных автомобилей при их свободном движении cоставляет 60—160 км/ч.

Однако реальные дорожные условия вносят существенные поправки в фактический диапазон наблюдаемых скоростей движения. Уклоны, криволинейные участки и неровности покрытия дороги обычно вызывают снижение скорости как вследствие большой затраты мощности и ограниченности динамических свойств автомобилей, так и в связи с необходимостью обеспечения устойчивого движения транспортных средств. Эти объективные факторы особенно сказываются на скорости наиболее быстроходных автомобилей. В связи с этим, фактический диапазон мгновенных скоростей свободного движения автомобилей на горизонтальных участках магистральных улиц и дорог нашей страны составляет 50— 120 км/ч. Эти цифры не относятся к дорогам, не имеющим надлежащего покрытия или с разрушенным покрытием, где скорость может понизиться до 10—15 км/ч и даже достичь еще меньшего значения.

Существенное влияние на скорость движения оказывают те элементы дорожных условий, которые связаны с особенностями психофизиологического восприятия водителя и уверенностью управления. Здесь вновь необходимо подчеркнуть неразрывность элементов системы АВД и решающее влияние водителей на характеристики современного дорожного движения.

Важнейшим фактором, оказывающим влияние на режимы движения через восприятие водителя, являются расстояние видимости Sв на дороге и ширина полосы движения В. Под расстоянием видимости понимается протяженность участка дороги перед автомобилем, видимого водителем. Величина Sв определяет возможность для водителя заблаговременно оценить условия движения и прогнозировать обстановку. Обязательным условием безопасности движения является превышение величины Sв над величиной остановочного пути So данного транспортного средства в конкретных дорожных условиях, т. е. условие Sв>Sо.

При малой дальности видимости водитель лишается возможности прогнозировать обстановку, испытывает неуверенность и снижает скорость автомобиля. В табл. 1 даны примерные величины снижения скорости движения по сравнению со скоростью, которая обеспечивается при дальности видимости 700 м и более.

Таблица 1

Уровень доверительной вероятности %	Тип автомобилей	Снижение скорости, %, при расстоянии видимости дороги, м
		100	200	300	400	500	600
50	Грузовые Легковые	12,2 20,0	8,1 13,7	4,9 8,6	2,8 4,9	1,5 2,3	0,8 0,4
85	Грузовые Легковые	13,5 17,5	9,8 12,7	5,8 8,3	3,3 4,9	2,0 2,5	1,0 0,9
95	Грузовые Легковые	13,9 19,2	9,8 14,6	5,9 10,2	3,3 6,3	2,0 2,5	1,0 1,0

Ширина полосы движения, предназначенная для движения одного ряда автомобилей и выделенная обычно продольной разметкой, определяет требования к точности траектории движения автомобиля. Чем меньше ширина полосы, тем более жесткие требования предъявляются к водителю и тем больше его психическое напряжение при обеспечении точного положения автомобиля на дороге. Поэтому при малой ширине полосы, а также при встречном разъезде на узкой дороге водитель подсознательно снижает скорость.

На основании исследований получена зависимость, характеризующая приближенно связь между скоростью и шириной полосы дороги:

где - Вд — ширина полосы, м;

Va — мгновенная скорость автомобиля, км/ч;

ba — ширина автомобиля, м;

0,3 — дополнительный зазор, м.

По аналогии с понятием динамического габарита длины автомобиля величину Вд можно назвать динамическим габаритом ширины транспортного средства Вд (динамическим коридором), т.к. для уверенного движения со скоростью Vа водитель должен иметь возможность занимать такую ширину. В этой зависимости можно также проследить связи комплекса АВД в дорожном движении. В формуле Вд представляет собой элемент дороги (Д), ba — характеристика автомобиля (элемент A), коэффициент 0,015 отражает психофизические свойства водителя и ходовые свойства автомобиля (система АВ).

Согласно приведенной зависимости скорость, с которой уверенно может вести автомобиль водитель средней квалификации, ориентировочно составляет при управлении легковым автомобилем и ширине полосы 3 м — около 65 км/ч, а при ширине полосы 3,5 м — около 90 км/ч, а при управлении грузовым автомобилем с габаритной шириной 2,5 м при ширине полосы 3 и 3,5 м — соответственно 15 и 50 км/ч.

Указанная зависимость установлена на основании наблюдений за работой большого числа водителей. Однако это не исключает того, что некоторые водители не могут достаточно точно и своевременно оценить изменение таких параметров дорожных условий, как расстояние видимости или ширины полосы движения и правильно изменить скорость движения. Поэтому в условиях ограниченной видимости и малой ширины полосы движения более часто происходят ДТП.

В Московском инженерно-строительном институте на кафедре городского строительства и в Институте генплана г. Москвы были разработаны рекомендации желательных значений ширины полосы движения (табл. 2). Этих рекомендаций следует придерживаться при выделении полос на проезжей части для различных типов транспортных средств, когда это позволяет общая ширина дороги.

Таблица 2

Преобладающий тип транспортных средств	Ширина полосы, м, при скорости движения, км/ч
	40	60	80	100	120
Легковые автомобили	2,8	3,0	3,2	3,4	3,6
Грузовые автомобили и автобусы	3,5	3,7	3,9	4,1	4,3
Крупногабаритные грузовые автомобили и троллейбусы	3,7	3,9	4,1	4,3	4,5

Существенное влияние на фактическую скорость движения автомобилей оказывают метеорологические условия, а в темное время суток — освещение дороги. Таким образом, скорость свободного движения в связи с тем, что на нее влияют многие причины, является случайной величиной и для потока однотипных автомобилей характеризуется обычно нормальным законом распределения или близким к нему. Для потока разнородных автомобилей распределение скоростей свободного движения может иметь существенные отклонения от нормального закона. Характерный вид кривых распределения скоростей показан на рис. 1

Рис. 1. Кривые распределения мгновенных скоростей при свободном движении легковых автомобилей: 1- двухполосная автомобильная дорога; 2 — четырехполосная

Чем лучше дорожные и метеорологические условия, тем больше амплитуды колебаний скоростей различных типов автомобилей, обусловленные их скоростными и тормозными качествами. Скорость сообщения определяется также частотой остановок, которые приходится совершать для пропуска пересекающих потоков транспортных средств, а также посадки — высадки пассажиров.

Рассмотренное выше влияние различных факторов на скорость движения относится к условиям свободного движения транспортных средств, т. е., когда интенсивность и плотность движения относительно невелики и не ощущается взаимное стеснение движения. При повышении интенсивности и плотности движения возникает стеснение движения, и скорость потока падает. Влияние интенсивности движения транспортного потока на скорость автомобилей Va исследовалось многими зарубежными и отечественными учеными. Выведены различные корреляционные уравнения этой зависимости, которые имеют общий вид:

Vа == Va.c (1 — kNa)

где - Vaс — скорость свободного движения автомобиля, км/ч;

k - корреляционный коэффициент снижения скорости движения в зависимости от интенсивности транспортного потока.

Задержки движения. Любое снижение скорости движения транспортных средств по сравнению с расчетной скоростью для данного участка дороги, а тем более перерыв в движении (остановка), приводят к потере времени и соответственно к экономическим потерям. Поэтому при организации дорожного движения особое внимание должно быть обращено на задержки движения. К задержкам следует относить не только все вынужденные остановки транспортных средств перед перекрестками, железнодорожными переездами, при заторах на перегонах, но также и снижение скорости транспортного потока по сравнению с расчетной (или разрешенной) для данной дороги.

Потери времени при движении транспортного средства могут быть выражены в общем виде выражением

где - Vcф - фактическая скорость сообщения, км/ч;

Vcp — расчетная (оптимальная) скорость сообщения, км/ч;

l₁, l₀, - точки рассматриваемого участка дороги, км.

При определении оптимальной скорости движения необходимо учитывать не только, потери времени, но и расходы, связанные с потреблением топлива, износом автомобиля, аварийностью, которые могут увеличиваться по мере экономии времени (роста скорости). В качестве расчетной скорости для городской магистрали можно принять разрешенный правилами дорожного движения предел скорости (например, 60 км/ч). В качестве исходной величины для определения задержки движения может быть принята нормативная скорость сообщения или нормативный темп движения для данного типа дороги, если таковые будут установлены. Так, если на дороге разрешенная скорость равна 60 км/ч, что соответствует темпу движения 1 мин/км, а фактическая скорость сообщения, установленная опытной проверкой, составляет 30 км/ч, то потеря времени каждым автомобилем в потоке составляет 1 мин/км. Если длина рассматриваемого отрезка магистрали равна, например, 5 км, задержка каждого автомобиля составит 5 мин.

Потери времени для транспортного потока могут быть определены выражением

T_∆ = N_a t_∆ T

где - N_a — интенсивность потока, авт/ч;

t_∆ — средняя задержка одного автомобиля, с;

Т — время наблюдения, ч.

Величины задержек транспортных средств на отдельных узлах или участках улично-дорожной сети могут быть также оценены коэффициентом задержки Кз, характеризующим степень увеличения фактического времени нахождения в пути t_ф по сравнению с расчетным t_р. Коэффициент задержки вычисляется по формуле

К_а= t_ф / t_р.

Задержки движения в реальных условиях движения можно разделить на две основные группы: 1) на перегонах дорог и 2) на пересечениях. Задержки на перегонах могут быть вызваны маневрирующими или медленно движущимися транспортными средствами, пешеходным движением, помехами от стоящих автомобилей, в том числе при погрузочно-разгрузочных операциях, а также заторами, связанными с перенасыщением дороги транспортными средствами, т. е. плотностью потока выше оптимальной. Более значительные задержки, особенно в городах, относятся ко второй группе. Эти задержки определяются необходимостью пропуска транспортных средств или пешеходов по конфликтующим направлениям на нерегулируемых перекрестках, простоями при запрещающих сигналах светофоров. В городах такие задержки достигают 70% . и даже более от общей потери времени. Время задержки определяется не только непосредственно продолжительностью остановки, но и потерей времени на замедление движения перед таким пересечением и на разгон после остановки.

Решающее значение для сокращения задержек транспортных средств в городах имеет оптимизация регулирования движения на перекрестках, а также рациональная организация стоянки автомобилей и остановочных пунктов маршрутного пассажирского транспорта.